【摘要】：作為紅外光與微波交界范圍,太赫茲波(THz)是電磁波譜中研究最少的波段。天然響應(yīng)材料的稀少與功能器件的缺乏,皆讓太赫茲波在近年來成為新興研究熱點。氧化釩家族中的二氧化釩(VO_2)薄膜,其室溫附近的半導(dǎo)體-金屬相變特性,以及其相變對太赫茲波的光學(xué)調(diào)制開關(guān)性能,在太赫茲波段具有極為優(yōu)異的應(yīng)用前景。因而,探索VO_2薄膜在太赫茲波段的光學(xué)特性、如何優(yōu)化其性能、克服其本身不足,需要進一步研究。另外,VO_2薄膜結(jié)合于超材料結(jié)構(gòu)后,復(fù)合結(jié)構(gòu)增強了開關(guān)調(diào)制性能,同時也形成其他種類的功能器件,逐漸發(fā)展成為重要的研究方向。據(jù)此,本文利用直流反應(yīng)磁控濺射技術(shù),制備了具有相變性能的VO_2薄膜;通過電學(xué)與THz光學(xué)性能,以及多種微觀表征分析方法,深入研究了VO_2薄膜的光學(xué)電學(xué)性能與微觀變化的聯(lián)系規(guī)律以及優(yōu)化路徑;另外,與超材料結(jié)構(gòu)結(jié)合,研究了復(fù)合結(jié)構(gòu)對VO_2薄膜THz相變調(diào)制特性的增強作用。1.研究磁控濺射制備的VO_2薄膜在太赫茲波段的光學(xué)相變性能變化,以及其變化與電學(xué)相變性質(zhì)之間的相似性。在可見光到近紅外范圍內(nèi),VO_2薄膜相變所引起的透過率變化幅度隨波長增長而增大,同時襯底對VO_2薄膜的性能有少量影響。在中紅外波段,VO_2薄膜對反應(yīng)氧濃度的增加和減少,表現(xiàn)出不同的聲子振動譜,同時退火時長對其幾無影響。在太赫茲波段,VO_2薄膜表現(xiàn)出顯著的光學(xué)相變性質(zhì),其回線特征與電學(xué)相變類似;其相變性能在反應(yīng)氧含量的調(diào)節(jié)下與中紅外的光譜變動一致,即氧含量缺乏時由于氧空位的存在相變溫度下降,而適量時相變性能顯著增強,過量后由于高價五氧化二釩的生成而相變消失。另外,在可見近紅外波段,研究了Si摻雜對VO_2薄膜的性能調(diào)整與增強作用,為調(diào)整和優(yōu)化VO_2薄膜在THz波段的相變性質(zhì)做出鋪墊。2.探究與V~(4+)離子同價的元素在THz波段摻入VO_2薄膜后的良好相變性能以及增強現(xiàn)象。首先,Si元素摻雜VO_2薄膜在THz波段保持了良好的光學(xué)調(diào)制性能,與可見近紅外波段的結(jié)果一致。在此過程中,摻雜VO_2薄膜的相變溫度在隨Si摻雜濃度增大逐漸降低的過程中出現(xiàn)了反彈現(xiàn)象。分析結(jié)果發(fā)現(xiàn),Si元素在VO_2薄膜中存在有替位式和間隙式兩種形式,兩種形式的不同影響與互相競爭的關(guān)系導(dǎo)致了相變溫度的反彈。同時,此現(xiàn)象在可見光近紅外波段也得到了驗證。其次,退火溫度的變化對于Si摻雜VO_2薄膜的粗糙度和孔隙度有著顯著影響,退火溫度的增加會減小孔隙度和粗糙度,但也會還原薄膜。另一部分,研究了Ge元素摻雜對VO_2薄膜相變性能的全面提升。相對于未摻雜VO_2薄膜,摻雜Ge后其THz光學(xué)調(diào)制幅度可提高17.6%,相變溫度可穩(wěn)定于80℃,回線寬度保持在3℃的極窄范圍內(nèi)。這些優(yōu)異現(xiàn)象,皆與Ge摻雜VO_2薄膜中的摻雜晶體重新結(jié)晶,近四方晶格陣列的出現(xiàn)密切相關(guān)。3.較低價態(tài)的元素摻入VO_2薄膜后會快速退化薄膜性能,但也會在太赫茲波段產(chǎn)生各種奇特性質(zhì)。首先,Al元素摻雜后,會將M1相的VO_2晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)镸2相,這緩解了VO_2薄膜在THz聲子振動波段透過率較低、調(diào)制能力受限的現(xiàn)狀。由于聲子振動的來源不同,THz波段的聲子振動模式快速消失與中紅外波段聲子振動峰的細微改變形成了明顯對比。同時,由于VO_2薄膜相變的產(chǎn)生和傳播方式,Al摻雜VO_2薄膜的電學(xué)相變溫度稍高于光學(xué)相變溫度。其次,更低價態(tài)的Cu元素摻雜的VO_2薄膜,其回線寬度變窄,相變溫度降低;另外高濃度的摻雜引起了Cu元素在薄膜中的析出,產(chǎn)生了電學(xué)性質(zhì)和THz光學(xué)性質(zhì)的不對應(yīng)現(xiàn)象。4.研究VO_2薄膜與超材料復(fù)合結(jié)構(gòu)的調(diào)制性能增強作用及其原因。基于100nm厚度的VO_2薄膜,與開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)復(fù)合后,在超材料的諧振頻率處由于諧振模式的削弱與高電導(dǎo)率的電磁屏蔽先后作用,其透過率形成了先增加后降低的變化規(guī)律;而在非諧振頻率0.72THz處,由于復(fù)合結(jié)構(gòu)對電磁波的響應(yīng)從類似LC振動轉(zhuǎn)變?yōu)榕紭O子振動,調(diào)制幅度相比于純VO_2薄膜提升了31.8%。此外,VO_2薄膜與互補開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)復(fù)合,由于互補結(jié)構(gòu)的帶通高透特性與半導(dǎo)體透明狀態(tài)的VO_2薄膜相匹配,以及高溫相變后互補結(jié)構(gòu)帶通性質(zhì)的消失與金屬狀態(tài)的高反射VO_2薄膜相對應(yīng),從而在諧振頻率處,復(fù)合結(jié)構(gòu)的調(diào)制能力相比于純薄膜提升了62.4%。同時在此過程中,由于互補結(jié)構(gòu)的敏感特性,清晰檢測到VO_2薄膜相變的滲逾過程,導(dǎo)致薄膜的介電常數(shù)增加了兩個數(shù)量級。
【圖文】：

(VOx)—表現(xiàn)出極為豐富的物相成分。室溫狀態(tài)下，它們的晶體結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)各有不同[1-3]。其中3、VO2、V2O5；另在化合物 VO2附近，存在兩類分別為 Magneli 相的 VnO2n-1、以及 Wadseley 相 5]。附近具有較高的電阻溫度系數(shù)(TCR)，從而在敏感其中部分氧化釩材料，隨溫度改變產(chǎn)生突然的半etal Transition, IMT)，則更令人矚目。這一性質(zhì)至 V6O13，皆在不同溫度范圍處表現(xiàn)出這一相變態(tài)較低的 Magneli 相 VnO2n-1的晶體結(jié)構(gòu)主要由剛體結(jié)構(gòu)分別屬于 V2O3和 VO2[6]。大部分 Magnel變機理互相不同，但各自相變現(xiàn)象穩(wěn)定[7]。另外nO2n+1中，僅有 V6O13表現(xiàn)出 IMT 相變特性[8]。不經(jīng)驗總結(jié)規(guī)律，但從圖 1-1 中可看出，其相變溫度

圖1-4 VO2晶體的相圖。(a)外加應(yīng)力與溫度變化下VO2晶體結(jié)構(gòu)變化[26]；(b) TiO2(100)襯底上 VO2晶體結(jié)構(gòu)隨 br方向應(yīng)力溫度變化相圖[27]在襯底上制備的 VO2薄膜，因為襯底的殘余應(yīng)力，晶體結(jié)構(gòu)也會發(fā)生轉(zhuǎn)變，也會在 M1、M2、與 R 之間變換。圖 1-4(b)為在 TiO2(100)襯底上制備的 VO2薄膜其晶體結(jié)構(gòu) br方向上隨應(yīng)力溫度變化的相圖[27]。另外，不僅應(yīng)力可導(dǎo)致新的單斜相 M2 的生成，向 VO2晶體中摻入 Cr、W、Al 元素后，摻雜晶體都會表現(xiàn)出穩(wěn)定的 M2 相[21, 28-31]。在應(yīng)用研究上，以 VO2為主要成分的混合物 VOx未表現(xiàn)出相變性質(zhì)，但其高電阻溫度系數(shù)(TCR，2~3%/K)被應(yīng)用于微測輻射熱型的紅外探測器上[32-34]。而具有相變性能的 VO2，，其幾十飛秒的極快相變速率使得應(yīng)用前景極為良好[35, 36]。根據(jù)其電學(xué)相變性能表現(xiàn)的強電子關(guān)聯(lián)性質(zhì)，作為溝道材料被應(yīng)用于場效應(yīng)晶體管(FET)上形成了 Mott 晶體管器件[37, 38]。根據(jù)光學(xué)性質(zhì)隨 IMT 相變改變規(guī)律，VO薄膜在智能控制近紅外太陽輻射上極具優(yōu)勢，從而開辟了智能窗口應(yīng)用這一方向[139]。另外，光學(xué)性質(zhì)從近紅外波段，延伸至波長更長的太赫茲波段時，相變現(xiàn)象更
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TQ135.11;TB383.2


本文編號：2676281